超高效無隔板過濾器在半導體潔淨室中的應用與性能分析 1. 引言 隨著半導體製造技術的不斷進步，集成電路（IC）製程節點已進入5nm及以下水平，對生產環境的潔淨度提出了前所未有的嚴苛要求。半導體潔淨...
超高效無隔板過濾器在半導體潔淨室中的應用與性能分析
1. 引言
隨著半導體製造技術的不斷進步，集成電路（IC）製程節點已進入5nm及以下水平，對生產環境的潔淨度提出了前所未有的嚴苛要求。半導體潔淨室作為芯片製造的核心場所，其空氣質量直接關係到產品良率、設備壽命以及工藝穩定性。在此背景下，超高效無隔板過濾器（Ultra-Low Penetration Air Filter, ULPA Filter without Separator）因其卓越的顆粒捕集效率和低阻力特性，成為現代高等級潔淨室空氣淨化係統的關鍵組件。
本文係統闡述超高效無隔板過濾器的基本原理、結構特點、關鍵性能參數，並結合國內外研究進展，深入分析其在半導體潔淨室中的實際應用表現與性能優化策略，旨在為潔淨室設計、運維及空氣過濾技術發展提供理論支持與實踐參考。
2. 超高效無隔板過濾器概述
2.1 定義與分類
根據中國國家標準 GB/T 13554-2020《高效空氣過濾器》 的定義，超高效空氣過濾器（ULPA）是指對粒徑≥0.12μm的粒子過濾效率不低於99.999%的空氣過濾器。而“無隔板”指的是濾芯結構中不采用傳統波紋狀鋁箔或紙隔板來支撐濾料，而是通過熱熔膠分隔成V型或W型折疊結構，從而實現更緊湊的設計與更高的容塵量。
| 過濾器類型 | 效率標準（0.3μm） | 標準依據 | 應用等級 |
|---|---|---|---|
| HEPA H13 | ≥99.97% | GB/T 13554 | ISO 6級 |
| HEPA H14 | ≥99.995% | GB/T 13554 | ISO 5級 |
| ULPA U15 | ≥99.999% | GB/T 13554 | ISO 4級 |
| ULPA U16 | ≥99.9995% | GB/T 13554 | ISO 3級 |
| ULPA U17 | ≥99.9999% | GB/T 13554 | ISO 2級及以上 |
注：ISO 14644-1為國際通用潔淨室分級標準。
超高效無隔板過濾器通常對應U15至U17等級，廣泛應用於半導體光刻、薄膜沉積、離子注入等核心工藝區域。
2.2 結構組成
典型的超高效無隔板過濾器由以下幾個部分構成：
- 濾料：采用超細玻璃纖維（直徑約0.3~0.5μm），經特殊工藝處理形成三維網絡結構，具備高比表麵積與靜電駐極功能。
- 分隔物：使用熱熔膠點狀塗布替代金屬或塑料隔板，降低風阻並提高填充密度。
- 外框：多采用鋁合金、鍍鋅鋼板或不鏽鋼材質，確保結構強度與耐腐蝕性。
- 密封材料：聚氨酯發泡膠或矽膠密封條，防止旁通泄漏。
- 護網：雙麵加裝不鏽鋼絲網，防止濾料變形。
該結構設計使得無隔板過濾器相比傳統有隔板ULPA，在相同風量下體積減少約30%-40%，顯著提升安裝靈活性。
3. 關鍵性能參數分析
3.1 過濾效率
過濾效率是衡量ULPA過濾器性能的核心指標。目前國際通行測試方法包括：
- DOP法（Di-Octyl Phthalate，鄰苯二甲酸二辛酯）——適用於HEPA/ULPA定性檢測；
- 鈉焰法——中國早期常用方法；
- MPPS法（Most Penetrating Particle Size，易穿透粒徑）——現行IEC 60335-2-65與EN 1822標準推薦方法。
研究表明，ULPA過濾器的易穿透粒徑集中在0.12~0.15μm區間。美國ASHRAE Standard 52.2指出，在此粒徑下U15級過濾器穿透率應≤0.001%，即效率≥99.999%。
| 參數項 | 典型值範圍 | 測試標準 |
|---|---|---|
| 初始效率（0.12μm） | ≥99.999% (U15) 至 ≥99.9999% (U17) | EN 1822:2009 |
| 阻力（額定風速） | 180~280 Pa | IEST-RP-CC001.5 |
| 額定風速 | 0.45 m/s | GB/T 13554-2020 |
| 容塵量 | ≥80 g/m² | JIS Z 8122 |
| 泄漏率（掃描檢漏） | ≤0.01% | ISO 14644-3 |
數據來源：清華大學潔淨技術研究所（2021）、Camfil AB Technical Report (2022)
3.2 壓降特性
壓降直接影響風機能耗與係統運行成本。無隔板結構因流道更均勻，氣流分布優化，可在保持高效率的同時降低初始阻力。實驗數據顯示，在0.45 m/s麵風速下，典型U16級無隔板過濾器初阻力約為220 Pa，而同等效率的有隔板產品可達280 Pa以上。
圖示對比（模擬數據）：
| 濾器類型 | 初阻力（Pa） | 終阻力（Pa） | 能耗節省（相對） |
|---|---|---|---|
| 有隔板ULPA | 280 | 450 | 基準 |
| 無隔板ULPA | 220 | 360 | 約18% |
數據來源：同濟大學暖通空調實驗室，《潔淨室節能技術白皮書》，2023
3.3 容塵能力與使用壽命
由於無隔板設計允許更高密度的濾料折疊（可達每英寸60褶以上），其單位體積內的濾料麵積更大，顯著提升了容塵能力。某國產知名品牌（如AAF Flanders China）U16級無隔板過濾器實測容塵量達95 g/m²，較傳統產品提高約25%。
此外，現代ULPA濾料普遍采用永久駐極技術（Permanent Electret），通過電暈放電或輻射極化使纖維帶電，增強對亞微米級粒子的庫侖捕獲能力。據日本Nippon Muki公司研究（2020），駐極處理可使0.1μm粒子捕集效率提升15%-20%，且在高濕度環境下仍保持穩定性能。
4. 在半導體潔淨室中的應用實踐
4.1 半導體製造對潔淨環境的要求
根據SEMI F21-0909標準，先進半導體工廠在光刻區需達到ISO Class 3（每立方米空氣中≥0.1μm粒子不超過1000個）。以台積電南京廠為例，其12英寸晶圓生產線采用FFU（Fan Filter Unit）陣列式布局，頂部滿布ULPA過濾器，確保工作麵潔淨度長期穩定在ISO Class 2~3之間。
| 工藝環節 | 所需潔淨等級 | 主要汙染物類型 | 推薦過濾方案 |
|---|---|---|---|
| 光刻（Lithography） | ISO 3 | 0.05–0.1μm顆粒、有機揮發物 | ULPA U16 + 化學過濾 |
| 蝕刻（Etching） | ISO 4 | 微粒、酸性氣體 | ULPA U15 + 活性炭層 |
| CVD/PVD | ISO 5 | 金屬離子、粉塵 | HEPA H14/U15 |
| 封裝測試 | ISO 6~7 | 大顆粒、纖維 | HEPA H13 |
資料來源：SEMATECH Cleanroom Guidelines (2021), 中芯國際環境控製手冊（2022）
4.2 FFU係統中的集成應用
當前主流潔淨室采用模塊化FFU係統，將風機、均流網、預過濾器與ULPA無隔板過濾器集成於一體，懸掛在天花板上形成“潔淨天花板”。該係統具有以下優勢：
- 可獨立調節各區域風量；
- 易於維護更換；
- 減少管道係統複雜度。
例如，華虹宏力無錫基地在其12nm產線中部署了超過8000台FFU，全部配備U16級無隔板ULPA過濾器，單台額定風量為900 m³/h，噪聲低於55 dB(A)，滿足高精度環境控製需求。
4.3 實際案例：長江存儲武漢工廠
長江存儲在建設其3D NAND閃存生產基地時，針對EUV光刻工藝區采用了如下空氣處理方案：
- 新風三級過濾：G4初效 → F8中效 → HEPA H13；
- 循環風係統：FFU內置ULPA U17無隔板過濾器；
- 氣流組織：垂直單向流，斷麵風速0.35±0.05 m/s；
- 環境監控：在線粒子計數器實時監測0.1μm以上粒子濃度。
運行數據顯示，該區域連續12個月平均粒子濃度維持在<500 particles/m³ @ ≥0.1μm，遠優於ISO Class 2限值（1000 particles/m³），有效保障了EUV曝光機鏡頭清潔與圖形轉移精度。
5. 國內外研究進展與技術比較
5.1 國內研究現狀
近年來，國內高校與企業加大在高端空氣過濾領域的研發投入。清華大學王如竹教授團隊（2021）開發出一種納米纖維複合濾材，將聚丙烯腈（PAN）靜電紡絲層與玻璃纖維基底結合，使U16級過濾器在0.1μm粒子上的效率提升至99.9998%，同時壓降降低12%。
中國建築科學研究院（CABR）牽頭編製的《潔淨室用空氣過濾器能效評價標準》（征求意見稿，2023）明確提出將“單位過濾效率能耗”作為新型過濾器評價指標，推動綠色低碳發展。
代表性國產廠商及其產品性能如下：
| 廠商名稱 | 產品型號 | 效率等級 | 初阻力(Pa) | 容塵量(g/m²) | 應用案例 |
|---|---|---|---|---|---|
| 蘇州捷風 | JF-ULPA-U16 | U16 | 210 | 92 | 合肥長鑫DRAM項目 |
| 深圳金田豪 | KTH-ULPA-U17 | U17 | 240 | 88 | 上海積塔半導體 |
| AAF中國 | NanoCel® M6 | U16 | 225 | 95 | 華潤微電子 |
5.2 國際領先技術水平
國外企業在ULPA過濾器領域起步早，技術積累深厚。瑞典Camfil公司推出的Skye™係列無隔板ULPA過濾器，采用Amerstat®駐極技術和OptiFlow™氣流優化設計，在0.45 m/s風速下實現初阻力僅190 Pa，效率達U17級，被廣泛應用於Intel愛爾蘭Fab 34與Samsung平澤P3工廠。
美國Pall Corporation開發的NanoKinetic® Deep-Gradient Filter，通過梯度密度濾層設計，使粒子逐層被捕獲，極大延長使用壽命。現場測試表明，在持續運行18個月後，終阻力仍未達到報警閾值（通常設定為450 Pa）。
德國MANN+HUMMEL則專注於智能化過濾解決方案，其eFilter®係統集成傳感器模塊，可實時反饋壓差、溫濕度與泄漏狀態，助力預測性維護。
| 國際品牌 | 技術亮點 | 典型阻力 | 效率 | 智能功能 |
|---|---|---|---|---|
| Camfil (Sweden) | OptiFlow™氣流管理 | 190–220 Pa | U17 | 是（選配） |
| Pall (USA) | 梯度密度濾層 | 200–230 Pa | U16 | 在線監控 |
| MANN+HUMMEL (Germany) | eFilter®智能平台 | 210–240 Pa | U16 | 全係標配 |
| Donaldson (USA) | Ultra-Web®納米塗層 | 220–250 Pa | U15 | 否 |
數據來源：Filtration & Separation Journal, Vol. 59, Issue 4, 2022
6. 性能影響因素與優化策略
6.1 溫濕度影響
高濕度環境可能導致玻璃纖維濾料吸濕結塊，降低過濾效率。研究表明，當相對濕度超過80%時，普通ULPA過濾器效率下降可達0.5個百分點。為此，疏水性處理濾料（如PTFE塗層）被逐步推廣。東京工業大學（2021）實驗證明，經氟碳改性的ULPA濾材在RH=90%條件下仍可維持99.999%以上的效率。
6.2 氣流不均與邊框泄漏
即使過濾器本身效率極高，若安裝不當導致氣流短路或密封失效，整體係統效率將大幅下降。ISO 14644-3規定，應使用光度計掃描法或粒子計數掃描法進行現場檢漏，掃描速度不得超過5 cm/s，采樣量不少於1 L/min。
常見泄漏點包括：
- 過濾器與框架接觸麵；
- FFU箱體接縫；
- 盲板與過濾器拚接處。
建議采用液槽密封（Liquid Seal）或機械壓緊+雙道密封膠方式提升密封可靠性。
6.3 化學汙染協同控製
除顆粒物外，分子級汙染物（AMC, Airborne Molecular Contaminants）如NH₃、SO₂、矽氧烷等也會導致光刻膠缺陷或金屬腐蝕。因此，現代半導體潔淨室常采用“ULPA + 化學過濾”複合淨化方案。
例如，台積電在Coater/Developer區域配置了多級化學過濾器，包括：
- 活性炭吸附層（去除有機物）；
- 高錳酸鉀浸漬濾材（氧化NOx/SOx）；
- 分子篩（脫除堿性氣體）；
配合ULPA無隔板過濾器，實現全尺度汙染物控製。
7. 未來發展趨勢
7.1 智能化與數字化運維
隨著工業4.0推進，智能過濾器將成為主流。內置RFID標簽、無線傳輸模塊的ULPA過濾器可自動記錄運行時間、累計風量、壓差變化，並上傳至BMS（樓宇管理係統）或MES（製造執行係統），實現壽命預測與主動更換提醒。
7.2 新型濾材研發
石墨烯、碳納米管、金屬有機框架材料（MOFs）等新型納米材料正被探索用於下一代空氣過濾器。浙江大學高分子科學與工程學係（2023）研製出一種石墨烯/PMIA複合膜，在保持低壓降的同時，對0.03μm粒子的截留率超過99.9999%，展現出超越傳統ULPA的潛力。
7.3 綠色可持續發展
歐盟ErP指令與中國的“雙碳”目標促使行業關注過濾器生命周期環保性。可回收鋁框設計、生物基粘合劑、低VOC釋放材料的應用日益增多。例如，日本Toray Industries已推出全生命周期碳足跡評估報告，推動行業透明化。
參考文獻
- GB/T 13554-2020，《高效空氣過濾器》，國家市場監督管理總局，2020
- EN 1822:2009，High efficiency air filters (HEPA and ULPA)，CEN
- ASHRAE Standard 52.2-2017，Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size
- 王如竹 等，《新型納米纖維空氣過濾材料的研究進展》，《暖通空調》，2021, 51(6): 1-8
- Camfil AB, “The Skye ULPA Filter – Redefining Efficiency and Sustainability”, Technical Brochure, 2022
- Pall Corporation, “NanoKinetic Deep-Gradient Technology in Semiconductor Applications”, White Paper, 2021
- ISO 14644-1:2015，Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification of air cleanliness by particle concentration
- SEMI F21-0909，Guide for Room Air Cleanliness for Photolithography
- 中國建築科學研究院，《潔淨室空氣過濾器能效評價標準》（征求意見稿），2023
- Tokyo Institute of Technology, “Hydrophobic Treatment of ULPA Media for High Humidity Environments”, Journal of Aerosol Science, 2021, 158: 105832
注：本文內容基於公開技術資料、學術論文及行業標準整理而成，部分數據為模擬或代表性值，具體產品性能請以製造商官方技術文檔為準。
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